对于同时采用燃气舵和导流器的箱式垂直热发射系统,各系统结构与燃气流之间的相互作用是影响燃气流流动分布的重要因素。当发射系统设计不合理时,在发射系统结构上的力冲击载荷和热冲击载荷分布不当,继而增大对系统结构的冲蚀效应,严重时甚至会导致发射失败。对于同时考虑燃气舵装置和整体式圆弧型导流装置的箱式垂直热发射系统,其燃气射流流场特性与系统结构相容性对发射成败起着至关重要的作用。因此本文针对箱式垂直热发射系统,以弹底和发射箱壁面的力冲击载荷和热冲击载荷作为判断依据,研究发射过程中的燃气流场流动特性和系统结构相容性,分析两者之间的相互影响。其研究结果与试验有较好的一致性,对箱式垂直热发射系统的工程研究以及反喷现象的减弱和防护具有重要意义。主要研究内容如下:1.深入研究并辅以试验验证了箱式垂直热发射系统的燃气流流动特性。按照箱式垂直热发射的燃气流场特性将射流分为三个区域,并对各区域内流场特性、产生的流动现象以及对系统结构的冲击影响进行深入讨论:燃气流从发动机喷管入口到燃气舵下游,受燃气舵绕流影响形成复杂的燃气舵外围流场;燃气流从燃气舵下游到导流器,燃气主流结构逐渐发展为特殊的“X”型,并冲击到导流器;燃气流受燃气舵和导流器相互作用从导流器的上排导面到发射箱内,发展为反卷回流和反喷流。2.研究了燃气舵对发射箱内冲击波、燃气射流流场以及箱内热环境的影响。对开盖前起始冲击波以及发射箱内热环境进行分析,结果表明,发射箱壁面和弹底的冲击压强受燃气舵的影响较小但弹箱间隙的流场热环境变得恶劣。对开盖后燃气流场结构变化的机理进行分析,结果表明,其形态受燃气舵的影响逐渐发展为“X”型,导流器上高温高压区同样为“X”型,与无燃气舵时相比最大压强值下降了20%,并且邻箱下导流面受到的冲击减弱;对开盖后燃气流反喷现象进行研究,结果表明,反喷流对导弹和发射箱壁面的压强影响较小,但是发射箱壁面的温度最大值和弹底的温度平均值分别升高了171.09%和125.44%。3.深入分析了燃气舵对不同直径铝颗粒的分布规律和导流装置侵蚀效应的影响。对燃气舵和导流装置相互作用下的气固两相流流场进行研究,结果表明,该发射系统有利于固相流的排导,且粒子直径越大,撞击导流器之后粒子分布越集中,对导流器的侵蚀越严重。而且还发现与无燃气舵气固两相流模型相比,燃气舵的添加不仅加剧了粒子对导流器的侵蚀,而且加剧了对发射箱壁以及导弹的冲蚀,添加30μm粒子后发射箱壁最大压强和最大温度升高了约10%和211.30%,弹底的压强和温度变化情况与发射箱壁面的变化情况基本一致。综上所述,燃气舵的添加改变了粒子的运动分布从而加剧了对系统结构的冲蚀效应。4.研究了平面导流器和圆弧导流器的不同流场效应。对燃气流排导效果进行分析,结果表明,垂直向下流动的燃气流与平面导流器的夹角处处相等,而与圆弧导流面的夹角处处不相等,以驻点为界将导流面分为上下两部分,圆弧型导流器对燃气流向下排导起到加速作用,承受的冲击低于平面导流器;对燃气流向上排导起到抑制作用,承受的冲击高于平面导流器。对燃气流反喷现象进行分析,结果表明:斜平面导流模型的弹底温度平均值和压强平均值分别升高了约8%,发射箱壁面的最大温度和最大压强分别升高了约17%和19%。所以圆弧导流器更适合于垂直双联装发射。5.深入分析了喷管出口与导流器之间垂直距离(燃气流冲击高度)和弹箱间隙对燃气流场和系统结构相容性的影响。并以喷管出口至导流器的距离和弹箱间隙两个结构参数为变量,以弹底的平均温度和发射箱壁面的最大温度为目标评价指标,拟合得到了两组响应面。结果表明,反喷流对弹底的热冲击与燃气流冲击高度、弹箱间隙均呈正相关,而反喷流对发射箱壁面的热冲击与燃气流冲击高度呈负相关,与弹箱间隙呈现正相关。6.针对开盖前发射过程中,弹箱间隙热环境升高,弹翼热载荷增大的问题,通过添加箱底挡流环改变燃气流动,从而改善弹箱间隙的热环境。通过改变挡流环内径和高度两个结构尺寸对箱内流场环境进行了优化分析,结果表明,挡流环的挡流和挡流环间隙的分流作用有效降低了弹箱间隙内的燃气流对弹翼的热冲击;挡流环高度对弹底冲击的影响比重小于挡流环内径的影响比重,而挡流环高度对发射箱内壁面冲击的影响比重大于挡流环内径的影响比重。挡流环的优化设计满足了发射箱壁面和弹底相容性的需求。